CN112068159A - 一种导航卫星信号质量在轨优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种导航卫星信号质量在轨优化方法，属于卫星导航技术领域，包括如下步骤：S11、利用地面天线接收导航卫星下行信号后，通过低噪放和滤波器对信号进行放大和滤波，然后利用数据采集设备对放大滤波后的下行信号进行射频采样；S12、采用GNSS接收机，对射频采样后的数据进行捕获和跟踪处理，并在基带内对实测信号进行信号质量各指标分析；对于超差的指标，利用预失真算法，生成相应的预失真参数；S13、通过上注S12中的预失真参数，动态调整星上预失真滤波器的幅频特性和相频特性，并通过多次迭代使得导航卫星信号的各项指标全部满足预设要求。本发明方法优化了导航信号质量，改善了导航系统的伪距偏差问题，有效提升了导航系统性能。

Description

一种导航卫星信号质量在轨优化方法
技术领域
本发明涉及一种导航卫星信号质量在轨优化方法，属于卫星导航技术领域。
背景技术
导航卫星下行信号的质量对导航系统的定位、测速、授时精度等关键性能有很大的影响，是评价导航载荷优劣的重要指标。导航信号在发射过程中，会受到载荷中变频器、滤波器、放大器、多工器、天线等非理想器件的影响，由于导航载荷发射信道中各器件具有非理想特性，包括幅度的不平坦以及相位的非线性，都会给信号带来失真，影响导航信号质量，造成GNSS关键性能的恶化。
在北斗三号试验星及组网星在轨测试期间，出现了用户接收机伪距偏差超差的现象，是指监测接收机对不同卫星实测伪距值扣除各星地理论距离值、空间传输时延、卫星通道时延等后的残差值远超出了接收机的同频通道时延一致性指标要求。各颗卫星导航信号的失真不一致，是导致伪距偏差的根本原因。由于不同卫星导航信号的非理想特性不同，因此这种信号畸变对于不同的卫星来说表现形式也并不完全相同。所以，不同的用户接收机同时接收不同卫星的导航信号时，当接收机中复现的测距码与卫星下行信号测距码做相关运算时，不同卫星信号得到的相关曲线不同，导致不同卫星信号的S曲线过零点偏差也不同，从而会带来不同的测距误差，产生伪距偏差现象。
伪距偏差产生的根本原因是在轨运行卫星导航信号的畸变，而在卫星研制过程中由于器件的差异性不可能保证所有卫星信号特性完全一致，因此，为了最大程度上减小由信号非理想特性导致的伪距偏差给用户带来的影响，在轨导航卫星的下行信号质量提升成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种导航卫星信号质量在轨优化方法，该方法通过星地系统闭环的方式实现对在轨卫星信号质量的分析和优化，在以往仅限于对信号质量进行评估的基础上，实现了导航信号质量的在轨优化，有效提高了在轨导航卫星的信号性能，改善了导航系统的伪距偏差问题。具体为：(1)利用高增益的地面天线接收导航卫星下行信号后，通过低噪放对信号进行放大滤波，然后利用数据采集设备对滤波放大后的下行信号进行射频采样；(2)采用GNSS接收机处理方法，对高精度采集的数据送入专用于各个信号分量评估的软件接收机进行高精度捕获和跟踪处理，并在基带对实测信号进行各指标的详细分析，得到信号质量各项指标的符合程度，作为信号质量优化的依据；通过设计高精度的预失真算法，基于通道固有的非理想特性在幅度域和相位域进行补偿，生成相应的预失真参数(FIR滤波器系数)。利用(2)中指标符合性去有针对性的调整预失真参数，动态改变预失真滤波器的幅频、相频特性，并通过多次的迭代使得信号质量各项指标全部满足要求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种导航卫星信号质量在轨优化方法，包括如下步骤：
S1、接收导航卫星下行信号后，对接收信号进行放大、滤波，然后进行射频采样，获得采集数据；
S2、对采集数据的信号进行捕获、跟踪、解调，获得导航信号质量的评价参数；如果导航信号质量的评价参数不满足设定的指标，则转入S3，否则导航卫星信号质量在轨优化方法结束；
S3、利用预失真补偿算法，对导航信号质量的评价参数进行优化，获得预失真参数，并上注到导航卫星，调整星上数字预失真滤波器的参数；
S4、重复S1～S3。
上述导航卫星信号质量在轨优化方法，优选的，所述导航信号质量的评价参数包括导航信号在时域的参数、频域的参数、相关域的参数、调制域的参数、信号相位一致性的参数。
上述导航卫星信号质量在轨优化方法，优选的，当任何一个参数不满足相应预设的指标范围时，则判定导航信号质量不满足设定的指标要求。
上述导航卫星信号质量在轨优化方法，优选的，S3中，利用预失真补偿算法，对所有超差的导航信号质量的评价参数进行优化，获得相应的预失真参数。
上述导航卫星信号质量在轨优化方法，优选的，S1中，射频采样的采样频率为650MHz，采样位数为16bit。
上述导航卫星信号质量在轨优化方法，优选的，S3中，星上数字预失真滤波器与星上发射通道的幅相特性相反。
一种导航卫星信号质量在轨优化方法，包括如下步骤：
S11、利用地面天线接收导航卫星下行信号后，通过低噪放对信号进行放大和滤波，然后利用数据采集设备对放大滤波后的下行信号进行射频采样；
S12、采用GNSS接收机，对射频采样后的数据进行捕获和跟踪处理，并在基带内对实测信号进行各指标比对；对于超差的指标，利用预失真算法，生成相应的预失真参数；
S13、利用S12中的预失真参数，动态调整星上预失真滤波器的幅频特性和相频特性，并通过多次迭代使得导航卫星信号的各项指标全部满足预设要求。
上述导航卫星信号质量在轨优化方法，优选的，所述实测信号的各指标包括导航信号在时域的参数、频域的参数、相关域的参数、调制域的参数、信号相位一致性的参数。
上述导航卫星信号质量在轨优化方法，优选的，射频采样的采样频率为650MHz，采样位数为16bit。
上述导航卫星信号质量在轨优化方法，优选的，星上数字预失真滤波器与星上发射通道的幅相特性相反。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)现有技术中，还没有公开资料介绍在轨导航卫星信号质量优化的方法，本发明方法已经经过北斗三号试验星和组网卫星共20余颗卫星的在轨试验验证，所有卫星的信号质量均满足指标要求，改善了导航系统的伪距偏差问题，有效提升了导航系统性能；
(2)现有技术中，只对导航卫星的民用信号质量进行评估，缺少对军用信号的评估分析，本发明通过接收某时段的下行信号，采用相关倍频累积算法，对接收信号的军码进行准确估计与恢复，并利用GNSS接收机程序分析得到民用信号和军用信号的质量评价参数符合性；
(3)现有技术中，通常只对在轨导航卫星的信号质量进行评估，缺少优化提升手段，本发明通过在卫星上配置数字滤波器，通过动态调整滤波器参数，实现对于卫星通道非理想特性的补偿，使导航卫星上首次具备了预失真能力；
(4)基于卫星配置的数字滤波器，设计宽带预失真算法来满足通道特性补偿的要求，使得数字滤波器的幅频、相频特性与通道的幅频、相频特性反向，从而实现预失真补偿功能；
(5)针对预失真补偿后信号质量依然存在个别指标超差的问题，提出了一种分段式的预失真算法，对信号的有用频段进行细化分割，并在窄带内对某一指标项做进一步的精确补偿，使某个超差项满足要求且对其他指标影响较小，从而减少预失真参数的迭代次数，大幅度提升信号质量优化精度和效率。
附图说明
图1为本发明方法的步骤流程图。
图2为本发明的系统组成框图。
图3为对每一频段内的滤波器幅频特性和相频特性进行精确调整的流程图。
图4为本发明的实际通道补偿框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种导航卫星信号质量在轨优化方法，包括如下步骤：
S1、接收导航卫星下行信号后，对接收信号进行放大、滤波，然后进行射频采样，获得采集数据。
S2、对采集数据的信号进行捕获、跟踪、解调，获得导航信号质量的评价参数；如果导航信号质量的评价参数不满足设定的指标，则转入S3，否则导航卫星信号质量在轨优化方法结束；
其中，所述导航信号质量的评价参数包括导航信号在时域的参数、频域的参数、相关域的参数、调制域的参数、信号相位一致性的参数。当任何一个参数不满足相应预设的指标范围时，则判定导航信号质量不满足设定的指标要求。
S3、利用预失真补偿算法，对所有超差的导航信号质量的评价参数进行优化，获得相应的预失真参数，并上注到导航卫星，调整星上数字预失真滤波器的参数。其中，星上数字预失真滤波器与星上发射通道的幅相特性相反。
S4、重复S1～S3。
一种导航卫星信号质量在轨优化方法，包括如下步骤：
S11、利用地面天线接收导航卫星下行信号后，通过低噪放对信号进行放大和滤波，然后利用数据采集设备对放大滤波后的下行信号进行射频采样。
S12、采用GNSS接收机，对射频采样后的数据进行捕获和跟踪处理，并在基带内对实测信号进行各指标比对；对于超差的指标，利用预失真算法，生成相应的预失真参数。其中所述实测信号的各指标包括导航信号在时域的参数、频域的参数、相关域的参数、调制域的参数、信号相位一致性的参数。
S13、利用S12中的预失真参数，动态调整星上预失真滤波器的幅频特性和相频特性，并通过多次迭代使得导航卫星信号的各项指标全部满足预设要求。其中，星上数字预失真滤波器与星上发射通道的幅相特性相反。
实施例：
一种导航卫星信号质量在轨优化方法，如图2所示，包括如下步骤：
步骤1：利用高增益的地面天线接收导航卫星下行信号，信号经过低噪声放大器和不同频点对应的滤波器进行放大、滤波。
步骤2：数据采集设备对滤波放大后的下行信号进行射频采样，采样频率为650MHz，采样位数为16bit，并将采样结果存储到数据磁盘阵列中。
步骤3：将存储的数据通过光纤传输到信号质量优化处理计算机中，利用GNSS接收机程序对存储的导航军用及民用各个频点的信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，分析导航信号在时域的参数、频域的参数、相关域的参数、调制域的参数和信号相位一致性的参数五个方面，将分析结果与接口规范控制文件公布的指标进行比对，判断各项指标的符合性。
步骤4：根据信号质量各指标的符合情况，利用分段式预失真补偿方法，对指标超差项进行针对性优化，并得到相应的预失真参数，以导航B1频点的预失真为例：
B1信号是导航下行信号中信号体制最为复杂的，由BPSK(2)、BOC(1,1)、QMBOC(6,1,4/33)、BOC(14,2)四路信号恒包络调制形成，其中QMBOC(6,1,4/33)信号是BOC(1,1)与BOC(6,1)以29:4的功率配比分别调制在载波的两个正交相位上而成，B1信号组成如下表1所示：
表1
Figure BDA0002649156620000061
对应B1信号的频谱，根据B1信号的信号支路进行频率分段，分别划分为12个频段，f0为B1信号的中心频率，12个频段参数f_index(n)分别表示的信号频段如下所示：
f_index(1)＝[f0-30MHz,f0-16MHz]，B1I与B1A下边带信号分量旁瓣；
f_index(2)＝[f0-16MHz,f0-12MHz]，B1I与B1A下边带信号分量主瓣；
f_index(3)＝[f0-12MHz,f0-7MHz]，B1I、B1A、B1Cp下边带信号分量旁瓣；
f_index(4)＝[f0-7MHz,f0-5MHz]，B1Cp下边带信号分量主瓣；
f_index(5)＝[f0-5MHz,f0-2MHz]，B1Cp、B1Cd下边带信号分量旁瓣；
f_index(6)＝[f0-2MHz,f0]，B1Cp、B1Cd下边带信号分量主瓣；
f_index(7)＝[f0,f0+2MHz]，B1Cp、B1Cd上边带信号分量主瓣；
f_index(8)＝[f0+2MHz,f0+5MHz]，B1Cp、B1Cd上边带信号分量旁瓣；
f_index(9)＝[f0+5MHz,f0+7MHz]，B1Cp上边带信号分量主瓣；
f_index(10)＝[f0+7MHz,f0+12MHz]，B1Cp、B1A上边带信号分量旁瓣；
f_index(11)＝[f0+12MHz,f0+16MHz]，B1A上边带信号分量主瓣；
f_index(12)＝[f0+16MHz,f0+30MHz]，B1A上边带信号分量旁瓣。
根据12个频段参数所表示的信号分量，对每个参数设置相应的权值，如下表2所示，表中将参数简化为f1～f12。
表2
频段 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12
权值 1/60 1/6 1/30 1/12 1/30 1/6 1/6 1/30 1/12 1/30 1/6 1/60
其中，旁瓣所处的频点权值较低，主瓣所处的频点权值较高，通过对频率的细化分割，对每一频段内的滤波器幅频特性和相频特性可以进行精确调整。参照图3所示，假设原始幅频函数为h_ori，原始群时延函数为grp_ori，调整的幅频为Δh_index(n)和群时延Δgrp_index(n)，因此，新的幅频函数和群时延函数为：
h_obj＝h_ori+Δh_index(n)
grp_obj＝grp_ori+Δgrp_index(n)
根据群时延函数grp_obj积分得出相应的相频函数
Figure BDA0002649156620000071
则传递函数为：
Figure BDA0002649156620000072
新的传递函数与原始的滤波器传递函数之差为：
H_error＝H_obj-H_ori
将H_error进行频率分段H_error(f_index(n))，并根据频段是否落于主瓣带宽内设置相应的比重因子Weight(n)，其中n＝1,2,……12，则误差函数为：
H_error＝H_error(f_index(n))*Weight(n),n＝1,2,…n
要使得H_erro最小，将H_error离散化为实部H_error_R和虚部H_error_I，问题便转换为一个最优化的问题，即在2范数下的逼近问题，通过对minH_error_R2+H_error_I2的解空间的不断迭代以求得H_obj。并将求得的H_obj将幅频相应与群时延响应与门限相比较，若超出门限则重新设置幅频Δh_index(n)和群时延Δgrp_index(n)，重复上述步骤进行迭代优化，直至在门限以内满足要求。
步骤5：将预失真参数发送到地面运控中心，由运控中心进行预失真参数的上注。
步骤6：导航卫星内部预置数字预失真滤波器，当参数上注后，滤波器参数动态进行调整，星上数字预失真滤波器的特性随参数变化，实现对于卫星通道非理想特性的补偿，播发的下行导航信号质量也随之改善。
步骤7：由于信号质量各项指标间存在极强的耦合性，一次优化无法使信号质量全部指标满足要求，因此需要重复步骤1～步骤6，将预失真参数进行多次迭代，直到步骤3中分析的各项指标全部满足要求。
参照图4，信号生成单元可以实现趋于理想的数字中频导航信号的生成，数字预失真滤波器需要设计成具有与后续发射通道相反的幅频和相频特性，以此来补偿通道的非理想特性对信号的失真影响。
数字预失真滤波器基于星上FPGA程序来实现，通过设计高精度的预失真算法，基于通道固有的非理想特性在幅度域和相位域进行补偿，生成相应的预失真参数(FIR滤波器系数)。但由于星上资源有限，预失真滤波器的阶数和补偿精度均受到限制，补偿后的信道依然会使导航信号质量有小幅度的恶化。此时需要根据步骤3给出的指标符合性去有针对性的调整预失真参数，动态改变预失真滤波器的幅频、相频特性，并通过多次的迭代使得信号质量各项指标全部满足要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、接收导航卫星下行信号后，对接收信号进行放大、滤波，然后进行射频采样，获得采集数据；
S2、对采集数据的信号进行捕获、跟踪、解调，获得导航信号质量的评价参数；如果导航信号质量的评价参数不满足设定的指标，则转入S3，否则导航卫星信号质量在轨优化方法结束；
S3、利用预失真补偿算法，对导航信号质量的评价参数进行优化，获得预失真参数，并上注到导航卫星，调整星上数字预失真滤波器的参数；
S4、重复S1～S3。
2.根据权利要求1所述的一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，所述导航信号质量的评价参数包括导航信号在时域的参数、频域的参数、相关域的参数、调制域的参数、信号相位一致性的参数。
3.根据权利要求2所述的一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，当任何一个参数不满足相应预设的指标范围时，则判定导航信号质量不满足设定的指标要求。
4.根据权利要求2所述的一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，S3中，利用预失真补偿算法，对所有超差的导航信号质量的评价参数进行优化，获得相应的预失真参数。
5.根据权利要求1～4之一所述的一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，S1中，射频采样的采样频率为650MHz，采样位数为16bit。
6.根据权利要求1～4之一所述的一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，S3中，星上数字预失真滤波器与星上发射通道的幅相特性相反。
7.一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S11、利用地面天线接收导航卫星下行信号后，通过低噪放对信号进行放大和滤波，然后利用数据采集设备对放大滤波后的下行信号进行射频采样；
S12、采用GNSS接收机，对射频采样后的数据进行捕获和跟踪处理，并在基带内对实测信号进行各指标比对；对于超差的指标，利用预失真算法，生成相应的预失真参数；
S13、利用S12中的预失真参数，动态调整星上预失真滤波器的幅频特性和相频特性，并通过多次迭代使得导航卫星信号的各项指标全部满足预设要求。
8.根据权利要求7所述的一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，所述实测信号的各指标包括导航信号在时域的参数、频域的参数、相关域的参数、调制域的参数、信号相位一致性的参数。
9.根据权利要求7所述的一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，射频采样的采样频率为650MHz，采样位数为16bit。
10.根据权利要求7所述的一种导航卫星信号质量在轨优化方法，其特征在于，星上数字预失真滤波器与星上发射通道的幅相特性相反。
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